弹性支撑斑海豹胡须模型单自由度流致振动实验研究

斑海豹依靠其具有波状外形的胡须,可感知猎物尾迹流场中的涡流,进而循迹追踪.对斑海豹胡须感知涡流特征的机制进行研究具有重要的科学意义和应用价值.本文根据斑海豹胡须的外形参数,制作了1:30的实验模型,在水槽中研究了均匀流场和尾迹流场中单个胡须模型和胡须模型阵列的单自由度流致振动特性,分析了模型振动响应与涡流特征的关联.结...     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼 振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作 用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的 振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$ 随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta $的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast $值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV 响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态. 在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.     

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

倾斜圆柱结构涡激振动研究进展

圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见, 如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索, 核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响, 诱发结构的疲劳损伤, 甚至破坏失效. 现阶段, 人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识. 然而, 当圆柱倾斜置于流场中, 结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著, 结构与流体的耦合作用机理更为复杂. 为简化倾斜圆柱涡激振动问题, 提出了不相关原则, 来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量, 仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响, 忽略平行结构轴向速度分量的影响. 近年来, 针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性, 出现了大量实验和数值模拟研究成果. 为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知, 本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展, 分析了不相关原则的适用范围, 探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施, 并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.      

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

Fluid-solid coupling and dynamic response of vortex-induced vibration of slender ocean cylinders

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta$的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast$值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.      

探测器对超音速刚性盘-缝-带型降落伞系统的影响

研究了流体初始马赫数为 2.0 时, 探测器的存在与否对刚性盘-缝-带型降落伞系统气动减速性能以及流场流体结构特性的影响. 对于非定常可压缩流体的数值模拟, 流场采用了三层块结构自适应网格加密技术, 配合混合形式的TCD (tuned center difference)和WENO (weighted essentially non-oscillatory)计算格式以及基于拉伸涡亚格子模型的大涡模拟方法来处理超音速流中的激波以及大尺度湍流旋涡结构等. 结果表明: 无探测器时, 降落伞系统的流场结构稳定, 扰动较小; 有探测器存在时, 探测器后端的湍流尾迹和伞衣内部逆向运动溢出的流体与伞衣前端的弓形激波周期性的相互作用, 使得激波位置发生前移、激波倾角变小, 伞衣内部流场难以达到平衡稳定状态. 这加剧了降落伞系统的气动阻力振荡脉动变化, 降低了降落伞系统气动阻力系数, 同时也使得降落伞系统流场尾迹结构更加复杂.      

圆柱尾迹涡的三维演化及结构特征

应用无粘涡丝运动学理论和局部诱导近似(LIA)方法,以Lagrange观点跟踪涡丝在背景流场中运动,用数值方法研究了中等Re数(≈10~3)下圆柱分离尾迹中Kármán涡和涡辫区涡丝的三维演化的机制和动力学过程,及其结构特征。背景流场考虑为尾迹时间平均速度流场和Kármán涡街流场。初始展向小扰动为指数形式和谐波形式。结果指出:Kármán涡和涡辫区中的涡丝具有展向不稳定性,形成流向涡量。在尾迹的初期输运过程中,表现出有序的大、小尺度涡结构。并进一步分析了其产生的机理。     

返回舱高雷诺数再入过程底部流动稳定性

返回舱高雷诺数再入过程中存在肩部高热流、底部阻力无法准确预测以及非定常振动等问题,解决此类问题的关键是分离和转捩等物理现象的准确识别. 本文采用大涡模拟方法细致刻画了返回舱类钝体外形在高雷诺数再入过程中的分离和转捩等物理现象,获得了返回舱底部流动形态以及稳定性特征. 从肩部剪切失稳、底部流动结构失稳、尾迹发展区以及远尾迹区的耦合失稳等多个角度分析了返回舱外形的底部流动失稳机制.研究发现, 返回舱类外形底部流动稳定性主要存在两类失稳模式即肩部剪切失稳模式以及底部流动结构失稳模式,二种模式存在耦合效应, 同时在远尾迹湍流区域存在类卡门涡街的振荡行为.这些认识为理解返回舱外部扰动因素对底部流动的作用机理及返回舱稳定性控制提供了基础理论支撑.      

低雷诺数串列双方柱流致振动质量比效应的数值研究

为澄清串列双方柱流致振动的质量比效应, 采用数值模拟方法, 在雷诺数为150时, 研究了质量比($m^{\ast }=3$, 10, 20)对下游方柱振动响应特性的影响规律, 分析了下游方柱尾流模态的演变过程, 探讨了导致下游方柱振动的流固耦合机制. 结果表明: 质量比对下游方柱的流致振动有重要影响, 低质量比($m^{\ast }=3$)时下游方柱的振动响应更为复杂, 随着折减速度的增大, 下游方柱并未出现传统“锁定”现象(即振动频率比$f_{y}$/$f_{\rm n} \approx1$的锁定), 而发生了“弱锁定”现象(即$f_{y}/f_{\rm n}<1$的锁定); 随着质量比的增加($m^{\ast }=10$和20), “弱锁定”现象消失, 而出现传统“锁定”现象, 且下游方柱横流向最大振幅减小. 质量比对串列双方柱的柱心间距有明显影响, 低质量比($m^{\ast }=3$)时的柱间距在振动锁定区内会急剧减小, 而较高质量比($m^{\ast }=10$和20)下的柱间距则变化不大. 此外, 质量比对串列双方柱的尾流模态和流固耦合机制也有显著影响, 其中低质量比($m^{\ast }=3$)下的情况更为多样.      

The ‘void’ structure in the wake of a self-oscillating flexible circular cylinder

We discuss the experimental vortex wake of a flexible circular cylinder undergoing vortex-induced vibration at low Reynolds number and a large cylinder aspect ratio. Hydrogen bubbles formed on the cylinder track the von Karman vortex cores. They show a characteristic ‘void’ structure. We propose a vortex skeleton model that includes a pinch-off of opposite-signed cores. Voids occurred at a node in streamwise vibration when close to an antinode in transverse cylinder vibration. A vibration model predicts the ratio of shedding frequency to natural cylinder vibration frequency necessary for void formation at specific spanwise locations.     

斑马鱼直线加速游动试验研究

海洋生物低噪音、高速、髙效游动能力是任何人造水下航行器所无法比拟的. 借助时间解析粒子图像测速技术对斑马鱼直线加速游动过程进行精细流场测量, 对其运动学行为特性和动力学机理进行分析. 同时应用双正交分解对涡量场进行模态分解, 获取流场的时间演化和空间分布特征. 从流动机理的角度探究斑马鱼游动过程的流动结构特征及旋涡动态演化特性. 试验结果表明: 流动可视化展现了整体涡流尾迹的结构分布,方便探究运动特性与旋涡尾迹之间的耦合关系. 斑马鱼从运动开始时体干保持着鲹科式的运动规律, 游动时的动能主要由前几次大幅的摆尾过程提供, 后续的摆尾主要调整方向及姿态. 两次不同方向的摆尾动作会形成一对方向相反的旋涡, 并在时序下旋涡逐渐脱落. 同时尾流的涡量变化在一定程度上反映鱼体的游向的变化. 基于双正交分解分解后的时间演化结果验证本次试验在时间上涡量场具有合理的恒定幅度, 空间分布表明低阶空间模态表征斑马鱼游动的主要涡流动结构, 高阶空间模态表征涡流动的细节结构. 研究鱼类游动时的摆尾推进机制与动力学特性能够为高效率的仿鱼类推进装置设计提供一定科学参考.      

低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析

利用Fluent软件数值求解不可压缩粘性流体的N-S方程,研究均匀来流Re=200时弹性圆柱体的涡激振动.圆柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动方程,柱体与流体间的非线性耦合作用通过动网格技术实现.详细分析了涡激力系数、柱体位移特征值和尾流涡结构随频率比的变化关系,获得"相位开关"、"拍"等现象.考虑流向振动对横向振动影响时,圆柱体最大横向振幅为0.65倍直径.当固定频率比,而质量比或折合阻尼增大时,圆柱体流向与横向振动均呈非线性衰减趋势,但增大质量比对流向平均位移的偏离起到更好的控制效果.     

Modes of vortex formation and transition to three-dimensionality in the wake of a freely vibrating cylinder

The present work is aimed to give some insight into the relation between vortex shedding modes and transition to three-dimensionality in the wake of a freely vibrating cylinder by establishing a numerical model and analyzing the relevant results of two- and three-dimensional simulations. The compressible flow past an elastically-mounted cylinder is solved by using the immersed boundary method (IB method). The cylinder is free to vibrate in the transverse direction with zero structure damping. The response of displacement amplitude is studied with the variation of reduced velocity. Whether P+S mode exists in three-dimensional flow and the occurrence of 2P mode is caused by flow transition from two-dimensional to three-dimensional are problems of concern. Both 2P and P+S wake modes are observed in two- and three-dimensional simulations. The numerical results indicate that the flow transition from two-dimensional to three-dimensional is coupled with the cylinder vibration in the synchronization/lock-in regime. The wake formation given by three-dimensional simulations suggests that the P+S mode might exist in reality when the flow is reverted to two-dimensional by vortex induced vibration (VIV) at Re=300–350. When Reynolds number increases to 425, the wake formation undergoes transition to three-dimensionality and 2P mode is observed. The effect of mass ratio on the flow transition to three-dimensionality is studied. The relationship between wake modes and aerodynamic forces is discussed.     

Numerical simulation of force and wake mode of an oscillating cylinder

The turbulent flow behind a circular cylinder subjected to forced oscillation is numerically studied at a Reynolds number of 5500 by using three-dimensional Large Eddy Simulations (3-D LES) technique with the Smagorinsky model. The filtered equations are discretised using the finite volume method with an O-type structured grid and a second-order accurate method in both time and space. Firstly, the main wake parameters of a stationary cylinder are examined and compared in the different grid resolutions. Secondly, a transversely oscillating cylinder with a constant amplitude in a uniform flow is investigated. The cylinder oscillation frequency ranges between 0.75 and 0.95 of the natural Kármán frequency, and the excitation amplitude is moderate, 50% of the cylinder diameter. The flow characteristics of an oscillating cylinder are numerically examined and the corresponding wake modes are captured firstly in 3-D LES at Re=5500. A transition between different wake modes is firstly investigated in a set of numerical simulations.     

A hybrid immersed‐boundary and multi‐block lattice Boltzmann method for simulating fluid and moving‐boundaries interactions

A numerical method is developed for modelling the interactions between incompressible viscous fluid and moving boundaries. The principle of this method is introducing the immersed‐boundary concept in the framework of the lattice Boltzmann method, and improving the accuracy and efficiency of the simulation by refining the mesh near moving boundaries. Besides elastic boundary with a constitutive law, the method can also efficiently simulate solid moving‐boundary interacting with fluid by employing the direct forcing technique. The method is validated by the simulations of flow past a circular cylinder, two cylinders moving with respect to each other and flow around a hovering wing. The versatility of the method is demonstrated by the numerical studies including elastic filament flapping in the wake of a cylinder and fish‐like bodies swimming in quiescent fluid. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Combined action of transverse oscillations and uniform cross-flow on vortex formation and pattern of a circular cylinder

This paper attempts to study the roles of lateral cylinder oscillations and a uniform cross-flow in the vortex formation and wake modes of an oscillating circular cylinder. A circular cylinder is given lateral oscillations of varying amplitudes (between 0.28 and 1.42 cylinder-diameters) in a slow uniform flow stream (Reynolds number=284) to produce the 2S, 2P and P+S wake modes. Detailed flow information is obtained with time-resolved particle-image velocimetry and the phase-locked averaging techniques. In the 2S and 2P mode, the flow speeds relative to the cylinder movement are less than the uniform flow velocity and it is found that initial formation of a vortex is caused by shear-layer separation of the uniform flow on the cylinder. Subsequent development of the shear-layer vortices is affected by the lateral cylinder movement. At small cylinder oscillation amplitudes, vortices are shed in synchronization with the cylinder movement, resulting in the 2S mode. The 2P mode occurs at larger cylinder oscillation amplitudes at which each shear-layer vortex is found to undergo intense stretching and eventual bifurcation into two separate vortices. The P+S mode occurs when the cylinder moving speeds are, for most of the time, higher than the speed of the uniform flow. These situations are found at fast and large-amplitude cylinder oscillations in which the flow relative to the cylinder movement takes over the uniform flow in governing the initial vortex formation. The formation stages of vortices from the cylinder are found to bear close resemblance to those of a vortex street pattern of a cylinder oscillating in an otherwise quiescent fluid at Keulegan–Carpenter numbers around 16. Vortices in the inclined vortex street pattern so formed are then convected downstream by the uniform flow as the vortex pairs in the 2P mode.     

上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱--下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数($Re$)与折减速度$(U_{\rm r})$两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比. 数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈"8"字形. 然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时($Re\!=\!40$, 80),下游方柱的运动轨迹基本为"8"字形. 雷诺数较大时($Re\!=\!120$, 160,200), 下游方柱的运动轨迹会出现双"8"字形. 同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P, 2T, P+S和稳态6种模式.最后, 通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.